Temporäre Lawinenschutzmassnahmen: Neue Erkenntnisse und Messmethoden senken das Restrisiko. Einleitung Lawinenbildung Hansueli Gubler, AlpuG, Davos Die Methoden der temporären Lawinenschutzmassnahmen gewinnen zunehmend an Bedeutung. Insbesondere durch verbesserte Kenntnisse der Vorgänge bei der Lawinenbildung, aussagekräftigere, automatische Messungen in den Anrissgebieten, Modellierung der kritischen Einflussgrössen und computergestützte Entscheidungshilfen sowie Verbesserungen bei der künstlichen Lawinenauslösung ermöglichen eine Senkung der Sperrzeiten bei gleichzeitiger Verkleinerung des Restrisikos für einen Lawinenunfall. Die temporären Methoden der Lawinensicherung umfassen die Lawinenwarnung, Sperrung und Evakuation gefährderter Zonen bei hoher Gefahr, die künstliche Lawinenauslösung und die Rettung. Um das Unfallrisiko kontinuierlich tief halten zu können, müssen alle gefährdeten Zonen inklusive der extremen Auslaufstrecken der Lawinen jederzeit gesperrt und evakuiert werden können. Gebäude und Anlagen innerhalb der gefährdeten Zonen müssen verstärkt werden um Lawinenkräften zu widerstehen. Temporäre Lawinenschutzmassnahmen sind vor allem zum Schutz von touristischen Anlagen und von Verkehrswegen mit mäßigem Verkehrsaufkommen angezeigt. Verschiedene Schutzkonzepte können heute mit Risiko- und Sicherheitsanalysen miteinander verglichen werden. Solche Analysen, die natürlich auch die Kosten der verschiedenen Schutzkonzepte mitberücksichtigen müssen, bilden heute die Entscheidungsgrundlagen für die Festlegung von Sicherungsmassnahmen. Das Risiko für einen Lawinenunfall ist durch drei Faktoren bestimmt: Die Ereignisswahrscheinlichkeit oder Lawinengefahr an der zu schützenden Stelle, wie zum Beispiel einer Skipiste oder einer Strasse, die Präsenzwahrscheinlichkeit für Menschen und andere ungeschützte Objekte an dieser Stelle und das Schadenausmass, das den möglichen Schaden, entstanden durch Lawineneinwirkung, quantifiziert. Alle drei Grössen können mit temporären Schutzmassnahmen beeinflusst werden. Jede zur Anwendung gelangende Schutzmassnahme muss ein gleichmässig tiefes resultierendes Restrisiko garantieren. Obwohl einzelne Massnahmen, wie Sperrung oder künstliche Lawinenauslösung, nur zeitlich befristet zur Anwendung kommen, muss der Lawinenschutz für gefährdete Personen und Objekte permanent gewährleistet sein. Daraus ergeben sich die Anforderungen an die verschiedenen Teilbereiche des Massnahmenpakets: Kontinuierliche Ausführung der Messungen und Beobachtungen,
die für die Bestimmung der Entwicklung der Lawinengefahr entscheidend sind; Bestimmung von charakteristischen Eigenschaften der aktuellen Schneedecke im Anrissgebiet, die nicht direkt messbar, aber für die Bildung von Lawinen wesentlich sind, wie zum Beispiel Schwachschichten; Beurteilung der Lawinengefahr unterstützt durch Entscheidungshilfen; Anordnung, Durchführung und Kontrolle von Sperrungen, Evakuationen und Öffnungen; Einsatz der Mittel zur künstlichen Lawinenauslösung, Überprüfung der Wirksamkeit und der Resultate der ausgeführten Schneesprengungen; Organisation und dauernde Aufrechterhaltung eines rasch einsetzbaren Rettungsdienstes. Zu den temporären Schutzmassnahmen gehören natürlich auch Alarmsysteme, die bei Feststellung eines die zu schützende Zone gefährdenden Ereignisses, wie zum Beispiel eines Lawinenabganges oder eines Murganges, den entsprechenden Strassenabschnitt automatisch sperren. Voraussetzung für eine solches System ist eine genügend lange Vorwarnzeit, die eine Evakuation und rechtzeitige Sperrung des Strassenabschnittes erlauben. Das bedeutet, dass Fahrzeuge rechtzeitig ausserhalb der Gefahrenzone angehalten werden oder die Zone noch vollständig durchfahren können, bevor die Lawine die Strasse erreicht. Das Ereignis muss damit möglichst früh, das heisst meist unmittelbar nach seiner Entstehung detektiert werden. Für Lawinen und Muren stehen heute spezielle Sensoren zur Verfügung. Im Folgenden wollen wir uns vor allem mit den heutigen technischen Möglichkeiten zur Unterstützung der temporären Massnahmen befassen. Als Voraussetzung für die Optimierung solcher Anlagen sind allerdings sehr gute Kenntnisse der Prozesse notwendig, die den Schneedeckenaufbau, die Lawinenbildung und den Lawinenabfluss beeinflussen. Anbruchmechanismus von Schneebrettlawinen Der weitaus grösste Teil der Schadenlawinen bricht als Schneebrettlawine an. Lockerschneelawinen erreichen nur in den seltensten Fällen Volumina wie sie für Schadenlawinen typisch sind. Die hier beschriebene Abfolge von Ereignissen ist eine plausible Erklärung für die Bildung von trockenen Schneebrettlawinen. Die Notwendigkeit der einzelnen Ereignisse konnte durch Messungen und Modellrechnungen nachgewiesen werden. Als Ausgangspunkt dient eine grundlegende Tatsache betreffend Schneefestigkeit. Es hat sich gezeigt, dass eine Schneeart (Dichte, Kornform, Textur) in einem bestimmten Zustand (Temperatur, Feuchte) und unter einem bestimmten Spannungszustand (z.b. Scheren) keine Festigkeit besitzt, welche sich nur mit einer Zahl angeben lässt. Es muss vielmehr auch der bedeutende Einfluss der Geschwindigkeit, mit welcher der Schnee deformiert wird (sog. Deformationsrate) miteinbezogen werden. Dies sei an einem Beispiel erläutert, das im Prinzip für jeden Spannungszustand, also z.b. auch bei Scheren, gilt. Wird ein Schneewürfel unter einer vorgewählten Zusammendrückungsgeschwindigkeit auf Druck geprüft und die sich dabei ergebende Kraft gemessen, so beobachtet man folgendes: Drückt man langsam, so verformt sich die Probe bei kleiner Kraft, ein Bruch tritt auch nach sehr langer Zeit nie auf. Geschieht dies etwas rascher, so steigert sich zwar die gemessene Kraft, aber es kann wiederum kein Bruch herbeigeführt werden. Man befindet sich hier im
3 Abbildung 1. Maximal übertragbare Spannung resp. Festigkeit von Schnee in Funktion der Deformationsgeschwindigkeit. Schnee bricht nur im duktilen und spröden Bereich. Bereich der sog. viskosen Verformung. Der Schnee bricht erst, wenn die sog. kriti sche Deformationsrate erreicht wird, bei der auch die maximal erreichbare Bruchkraft auftritt. Jede weitere Steigerung (man hat natürlich jeweils eine neue ungebrochene Probe zu verwenden) führt von nun an zum Bruch und zwar so, dass die Festigkeit mit zunehmender Deformationsrate drastisch abfällt. Das erreichbare Minimum kann bis auf 1/10 der Maximalfestigkeit absinken. Es ist dies der Uebergang vom sogenannten duktilen (viskosen) zum spröden (elastischen) Bruch. Um zu einem Bruch zu gelangen, muss also der "Berg" der steigenden und dann wieder fallenden Kräfte überwunden werden (Abbildung 1). Eine bestimmte gegebene Kraft führt oder führt nicht zum Kollaps, je nachdem ob wir uns auf der viskosen oder überkritischen Seite befinden. Was bedeutet dies nun für den Anbruchmechanismus? Wir gehen von der typischen Situation bei Trockenschnee aus, bei der eine relativ feste Schneeschicht auf einer schwachen und viel dünneren Schicht liegt. Wenn nun diese Schwachschicht und alle anderen Schnee- und Geländeverhältnisse über einen ganzen Hang genau die selben sind (sog. neutrale Verhältnisse), so kann bei tatsächlich vorkommenden Schneemächtigkeiten und -dichten ein Anbruch unter dem Eigengewicht des Schnees gar nicht vorkommen. Dies, weil die hangparallelen Gewichtskomponenten der überliegenden Schicht zu klein sind, um die notwendige kritische Deformationsrate hervorrufen zu können. Ob dies bei einer künstlich erzeugten Zusatzlast möglich wird, hängt von der Grösse derselben und der Dicke, Deformierbarkeit der überliegenden Schicht ab. Fazit: Hangparallel homogene Verhältnisse - selbstverständlich sind sie unter gewissen Bedingungen immer möglich - deuten eher auf eine Anbruchsicherheit, trotz der Existenz einer Schwachschicht. Für die Bildung von Schneebrettlawinen ist die Existenz einer dünnen, leicht deformierbaren Zwischenschicht kleiner Festigkeit zwischen Altschneedecke und Neuschnee demnach zwar eine notwendige aber nicht hinreichende Bedingung.
4 Abbildung 2. Schneedecke mit Schwachschicht. Vergrösserter Ausschnitt zeigt Spannungsumlagerung nach Bindungsbruch (Initialbruchbildung). Für die Bildung gefährlicher Lawinen mit Anrisshöhen von mehreren 10 cm müssen solche Zwischenschichten über Flächen von hundert und mehr Quadratmetern zusammenhängend und ungestört vorhanden sein. Die Scherfestigkeit und Viskosität dieser Schwachschichten ist durch ihre Schneestruktur bestimmt. Typische Schwachschichten sind: Eingeschneite Oberflächenreifschichten, dünne, stark aufgebaute Schichten unmittelbar unterhalb der Oberfläche der Altschneeschicht, obere Grenzschicht (Wachstumsschicht) einer Tiefenreifschicht sowie kalter, flaumiger Neuschnee auf einer kalten, harten Altschneeoberfläche. Die Verteilungen der Spannungen und Deformationen in der Schwachschicht hängen von der Verteilung des Neuschnees über der Schwachschicht, von der Hangneigung, Gesamtschneehöhe, lokalen Hindernissen und der Deformierbarkeit der Schichten ab. Mit steigendem Gewicht des Neuschnees steigt auch die Deformationsrate und die Deformation in der Schwachschicht. Die starke lokale Deformation führt zu Bindungsbrüchen zwischen den Schneekörnern und Kristallen. Damit sinkt die Festigkeit und steigt die Deformierbarkeit lokal, sofern nur schwächere neue Bindungen entstehen (Abb. 2). Die grosse Deformationsrate innerhalb der dünnen Schwachschicht verhindert aber weitgehend die Entstehung neuer starker Bindungen. Dieser Prozess dauert typischerweise Stunden. Die Zwischenschicht wird lokal bei relativ kleinen Spannungen stark deformiert. Können die vorhandenen Spannungen durch die verbleibenden Bindungen in der Schwachschicht nicht mehr von der Neuschnee- auf die Alt-schneeschicht übertragen werden, so bricht die Struktur lokal vollständig zusammen.
5 Abb.3 Bestimmung der charakteristischen Ausdehnung einer kritischen Superschwachzone
6 Diese lokalen duktilen Scherbrüche in der Schwachschicht bilden sich vorwiegend an Stellen, an denen Spannung und Deformation durch Inhomogenitäten in der Neuoder Altschneeschicht und durch Hindernisse, die in die Altschneeschicht hineinragen, konzentriert werden. Messungen zeigen, dass diese Initialbruchflächen maximal von der Grössenordnung eines Quadratmeters sind. Durch diesen Mechanismus des Initialbruches entstehen innerhalb der Schwachschicht superschwache Zonen, die praktisch keine Scherspannungen von der Neuschneeschicht auf die Altschneeschicht übertragen können. Innerhalb dieser superschwachen Zonen kommt es zu einer weiteren Konzentration von Scherdeformationen, an den Rändern entstehen Scherspannungsspitzen. Erreicht die Deformation am Rand einer solchen superschwachen Zone den von der vorhandenen Deformationsrate abhängigen kritischen Wert, so beginnt sich der Scherbruch entlang der Schwachschicht auszubreiten. Allerdings muss die superschwache Zone durch Vereinigung mehrerer Initialbruchzonen vorerst eine minimale Fläche mit einem Durchmesser von 5-25 Neuschneehöhen erreicht haben. Erst dann ist eine meist zuerst langsame und später schnelle Scherbruchausbreitung möglich. Es ist vorstellbar, dass während der Phase der duktilen Bruchausbreitung mehrere Initialbruchflächen zusammengeschlossen werden und damit der Uebergang zur Sprödbruchausbreitung beschleunigt wird. Die kritische Länge L der Superschwachzone ist proportional zur Anrissmächtigkeit D, der Dicke d der Schwachschicht und umgekehrt proportional zum geometrischen Mittel der Scherdehnungsgeschwindigkeiten von Schneebrett, U b, und Schwachschicht, U s (Abb. 3). Die Wahrscheinlichkeit des Zusammenschlusses mehrerer unterkritischer Initialbruchflächen zu einer Superschwachzone nimmt mit steigender Bildungsrate für Initialbrüche zu. Diese Tatsache konnte durch Messungen bestätigt werden. Umso kleiner die notwendige kritische Länge L, desto grösser ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie erreicht wird. L wird minimal für grosse Deformationsgeschwindigkeiten, sofern U b U s ist und die Schwachschichtdicke d klein ist. Damit wird zum Beispiel für ein hartes, windgepresstes Schneebrett auf leicht deformierbarer Schwachschicht L grösser als für ein "typisches" Schneebrett. Aber auch für eine noch sehr lockere Neuschneeablagerung auf einer typischen Schwachschicht wird L gross. Eine ausführlicher Diskussion dieser grundlegenden Erkenntnis folgt weiter unten. Die schnelle Scherbruchausbreitung (Sprödbruch, Primärbruch) entlang der Schwachschicht ist auch durch Teilgebiete der Schwachschicht möglich, in denen aufgrund erhöhter lokaler Stabilität ein Initialbruch unmöglich ist. Ein Zugbruch (Anrissstirn, Sekundärbruch) tritt frühestens dann auf, wenn durch den sich hangaufwärts ausbreitenden Scherbruch die hangparallelen Zugkräfte die Zugfestigkeit der Neuschneeschicht erreichen. Der Zugbruch folgt oft Hindernissen oder Störungen in der Schneedecke, die lokale Zugspannungskonzentration erzeugen. Die Grösse der Schneebrettlawine wird durch die Ausdehnung der Schwachschicht, die Zugfestigkeit der abgleitenden Schicht, die Hangneigung und lokale Abstützungen der Schneedecke begrenzt. Der Scherbruch kann sich auch durch Gebiete der Schwachschicht ausbreiten, in denen der Neuschnee nicht abgleitet. Abgleitender Schnee erzeugt starke seismische Wellen im Boden. Diese seismischen Störungen können zusätzlich Sekundärlawinen auslösen. Zusammenfassend folgt (Tabelle 1): das Vorhandensein einer ausgedehnten Schwachschicht ist eine notwendige Bedingung für die Bildung von Schneebrettlawinen. Das Vorhandensein von Schwachschichten kann durch lokale Schneedecken-
7 tests, aber auch durch eine kontinuierliche Analyse der Wetterbedingungen während des Schneedeckenaufbaus, abgeklärt werden. Bei geringer Schneebrettgefahr sind keine solchen Schwachschichten vorhanden. Bereits bei mässiger Schneebrettgefahr muss örtlich mit Schwachschichten innerhalb der Schneedecke gerechnet werden. Für die Bildung von superschwachen Zonen als hinreichende Bedingung für die Scherbruchausbreitung sind lokale Initialbrüche notwendig. Kleine hangparallele Inhomogenitäten im Schichtaufbau der Schneedecke sind verantwortlich für die Entstehung von Initialbrüchen. Die Stellen dieser Initialbrüche sind im allgemeinen nicht voraussagbar. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit flächiger Tests der Stabilität bei der künstlichen Auslösung von Lawinen. Die künstlich durch Sprengungen erzeugten Druckwellen müssen alle Teile der möglichen Anrisszone erreichen, damit alle möglicherweise vorhandenen Schwachstellen zusätzlich belastet werden. Damit lässt sich aber auch begründen, warum einige wenige Skispuren in einem möglichen Anrissgebiet keine endgültige Aussage über die Lawinengefahr zulassen. Tabelle 1. Bedingungen für die Schneebrettbildung Notwendige Bedingungen Gelände (Steilheit, Form, Bodenbeschaffenheit, Vegetation) Vorhandensein einer Schwachschicht Ueberlagerter Schnee Schneeeigenschaften Schneeverteilung vorgegeben Erkennen der Bildung möglich Messung möglich Beurteilung teilweise möglich Beurteilung möglich Hinreichende Bedingungen Initialbruchbildung Kritische Grösse der Superschwachzone Messung grundsätzlich möglich Qualitative Beurteilung möglich Deformierbarkeit als Schlüsselparameter für die Schneebrettgefahr Die Deformierbarkeit oder Steifigkeit der einzelnen Schneeschichten ist entscheidend für die Lawinengefahr. In Modellen und Theorie wird zur Beschreibung der Deformierbarkeit die (lineare) Viskosität verwendet. Je höher die Steifigkeit oder Viskösität d.h. je kleiner die Deformierbarkeit einer Schneeschicht, umso gleichmässiger werden Spannungen und Kräfte auf benachbarte Schichten übertragen. Die Bezeichnungen Deformierbarkeit und Steifigkeit werden hier nicht im exakt wissenschaftlichen Sinne verwendet, sie sollen aber helfen die Vorstellung zu verbessern. Deformierbarkeit darf aber nicht mit Festigkeit verwechselt werden. Die Festigkeit charakterisiert das Bruchverhalten eines Materials. Für dünne Schwachschichten oder auch Schichtübergange, die oft nur die Dicke eines oder einiger weniger Korndurchmesser haben, bedeutet Deformation sehr oft teilweiser
150 200 250 0-20 -15-10 -5 0 Temperatur, C 8 Strukturbruch, d.h die Kohäsion geht weitgehend verloren, die Festigkeit reduziert sich auf die innere Reibung, und die Deformierbarkeit steigt nach einer ersten minimalen Deformation (örtlicher Strukturkollaps) weiter an. Die Deformierbarkeit der Oberschicht ( Schneebrett) hängt Deformierbarkeit, willkürliche Einheiten 1 sehr stark von ihrer Temperatur 0.9 und Dichte ab. Steigende 0.8 Temperatur bewirkt eine rasche 0.7 Zunahme der Deformierbarkeit, 0.6 zunehmende Dichte (bei starker Setzung) bewirkt eine empfindliche Abnahme der Deformierbar- 0.5 Dichte= 100kg/m3 0.4 keit (Abb. 4). Deformierbarkeit Abb. 4. Deformierbarkeit in Abhängigkeit von Schneetemperatur und Schneedichte. 0.3 0.2 0.1 Gemäss Abb. 3 ist die Deformierbarkeit der Oberschicht eine sehr wichtige Bestimmungsgrösse für die Lawinengefahr. Insbesonders für Schneebretter kleiner Mächtigkeit (Hanglawinen) hat wechselnde Schneetemperatur aufgrund von Sonneneinstrahlung und Lufttemperatur einen wesentlichen Einfluss auf die Deformierbarkeit dieser Oberschicht. Sehr oft liegt die wenig mächtige Neuschnee- oder Schneeverfrachtungsablagerung (20-40 cm) auf einer dünnen Schwachschicht die sehr deformierbar ist. Erhöht sich nun durch Erwärmung die Deformierbarkeit der überlagerten Schicht, so sinkt die kritische Ausdehnung für den Initialbruch und die Wahrscheinlichkeit eines Lawinenanbruches (Lawinengefahr) nimmt sehr schnell zu. Es ist also nicht in erster Linie die Änderung der Festigkeit (Zugfestigkeit) des Schneebrettes, oder gar der tieferliegenden Schwachschicht, sondern die Zunahme der Deformierbarkeit (Abnahme der Viskosität) der Oberschicht bei einer kurzfristiger Erwärmung, die entscheidend ist für die Erhöhung der Lawinengefahr. Dies ist auch leicht einzusehen, da die hangsenkrechten Zug- und Scherbruchflächen nur etwa 1% der gesammten Bruchfläche ausmachen, die Zugfestigkeit in der Oberschicht kann demnach nicht entscheidend sein für die Lawinengefahr. Die Tatsache, dass diese Zugbruchflächen immer senkrecht zur Gleitfläche stehen, beweist auch, dass sich in jedem Fall zuerst ein (primärer) Scherbruch entlang der Schwachschicht (Gleitfläche) ausbreitet, bevor es zur Ausbildung der hangsenkrechten Zugbruchflächen kommt. Damit ist auch leicht zu verstehen warum dieser Temperatureinfluss um so grösser ist, desto kleiner die Mächtigkeit des potentiellen Schneebrettes ist, da die Eindringtiefe der Tagesschwankungen der Lufttemperatur und der Strahlung auf wenige 10cm limitiert sind. Die folgenden Zeichnungen (Abb. 5) fassen die Verhältnisse nochmals zusammen.
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10 Abbildung 5. Die stark ausgezogenen Linien quer zur Schichtung symbolisieren die Deformation in den entsprechenden Schichten. Der Strich markiert die Position von Schneeteilchen die sich ursprünglich auf einer hangsenkrechten Linie befunden haben nach einer vorgegebenen Zeitperiode. Die Zeichnungen sind nicht masstäblich! Die Warntafel bedeuted relativ erhöhte Gefahr. Die wenigsten dieser für die Schneebrettbildung entscheidenden Grössen können direkt gemessen werden. Neue Techniken erlauben aber eine verbesserte Indexierung der wesentlichsten Grössen wie Schwachschichtbildung, Abnahme der Defor-
11 mierbarkeit, Schneezuwachs / Mächtigkeit der Überdeckung einer Schwachschicht, Durchfeuchtung der Schneedecke, Schneeverfrachtung aber auch die Messung von Lawinenanrisshöhen, die Registrierung von Lawinenabgängen, die automatische Alarmierung sowie die Überwachung und Fernbedienung von Anlagen zur künstlichen Lawinenauslösung. Mit den gleichen Anlagen können Sommer- und Wintergefahren wie Murgänge, Steinschlag, Permafrost und Lawinen überwacht werden. Abb. 1 zeigt solche Systeme im Überblick. Automatische Messstationen Automatische Datenerfassungen sind heute bereits weit verbreitet im Einsatz. Die- Systeme der jüngsten Generation erlauben dank ihrer Vielseitigkeit und Rechenkapazität die Integration aller Anwendungen in ein Grundsystem. Damit können die gleichen Stationen Meteo- und Schnee-Messungen ausführen, komplexe Sensoren steuern und überwachen, Alarmierungen auslösen, GAZ-EX Anlagen steuern und Indexgrössen, z.b. zur Charakterisierung der Schneeoberfläche, berechnen. Alle Daten und Steuerfunktionen werden in einheitlicher Form übermittelt und in einer bedienungsfreundlichen Windowsumgebung dargestellt und bedient. Moderne Erfassungsstationen erlauben den direkten Anschluss praktisch aller denkbaren Sensoren. Die Datenerfassungen arbeiten autonom, die Stromversorgung erfolgt durch eine Solarzelle. Die Datenübermittlung erfolgt in praktisch allen Fällen über Funk bis zumnächstgelegenen Telefonanschluss oder bis ins Tal und wird dort ins öffentliche Telefonnetz eingespiesen. Jede mit Funk ausgerüstete Erfassung kann auch Funkrelaisfunktionen übernehmen, eine wichtige Systembedingung in alpiner Umgebung, wo direkte Funkverbindungen oft nicht möglich sind. Stationszugriff und Datensicherheit sind mehrfach abgesichert. Nicht höchstmögliche Präzision, sondern Wartungsfreiheit und hohe Verfügbarkeit der Messdaten sind im Zusammenhang mit der Erstellung täglicher Warnungen notwendig! Spezifikationen und Ausbaustand müssen ohne weiteres den einzelnen Standorten angepasst werden können. Die möglichen Standortspezifikationen können sehr unterschiedlich sein: - Standorte in horizontalen Messfeldern in typischer Höhenlage und Exposition der Lawinenanrisszonen (Indexstationen). Bestimmung der Schneehöhe, des Schneedeckenaufbaus und von Meteoparametern. - Grat- und Gipfelstationen ohne Erschliessung, oft mit erschwertem Zugang, vor allem für Windmessungen. - Talstationen mit horizontalen Messfeldern (Beobachterstationen), eventuell ergänzt mit der Möglichkeit zusätzlicher, manueller Dateneingabe (Niederschlag, meteorologische Parameter, Schneeprofildaten). - Standorte in Lawinensturzbahnen zur Registrierung von Lawinenabgängen (Alarmstationen). - Standorte in Lawinenanrisszonen (Warnstationen, Ueberwachungsstationen)
12 und deren unmittelbarer Umgebung, mit erschwertem Zugang. Bestimmung von Schneehöhe, Schichtung, Setzung, Durchfeuchtung Schneeakkumulationsrate in den Anrissgebieten, Meteoparameter, Registrierung von Lawinenabgängen und Anrisshöhen, Überwachung und Steuerung von Anlagen zur künstlichen Lawinenauslösung. Abbildung 1. Schematische Darstellung der verschiedenen Stationstypen. Welche Parameter sollen gemessen werden? Grundsätzlich sind Vorhersagen um so treffsicherer, desto genauer und feinmaschiger die Einflussgrössen bestimmt werden können und je direkter der Zusammenhang zwischen den gemessenen Grössen und den Prozessen der Lawinenbildung ist. Die Lawinenbildung hängt von sehr vielen, zum grossen Teil nicht detailliert in ihren örtlichen und zeitlichen Verteilungen messbaren Einflussgrössen ab. Diese Einflussgrössen können folgendermassen gruppiert werden: Aktuelles Wetter und Witterungsablauf seit Beginn des Aufbaus der Schneedecke, Topographie, Exposition sowie Bodenrauhigkeit und Bodenbedeckung, physikalische Eigenschaften des Schnees, Zeitpunkt und Grösse bereits früher aus dem gleichen Anrissgebiet abgegangener Lawinen. Unter diesem Gesichtspunkt können obige Einflussgrössen nach
13 steigender Aussagekraft folgendermassen geordnet werden: Topographie, Exposition, Bodenbedeckung, wie Sie einer geographischen Karte entnommen werden können; Kleinrelief, Bodenbedeckung, Geometrie eines etwaigen Baumbestandes; meteorologische Daten, wie Sie durch die Wetterdienste gemessen werden; Niederschlag, Wind, Temperatur, Strahlung im Bereich der Anrissgebiete gemessen; Schneeverfrachtung, Verteilung der Schneeakkumulation und Schneeschichtung im Anrissgebiet; Aufnahme von morphologischen- und Temperatur- Profilen; Messung von Festigkeitsprofilen; Messungen der Verteilung von Spannungen und Deformationen in der Schneedecke; Messung der Stabilitätsverteilungen innerhalb der Anrissgebiete; Messung der Entstehung von Initialbruchstellen in der Schneedecke; Feststellung der Ausbreitung von Primärrissen, Beobachtung der Lawine. Topographie, Exposition, Kleinrelief, Bodenbedeckung usw. sind als unveränderliche Grössen vorgegeben. Der Verlauf aller übrigen Grössen kann grundsätzlich durch direkte Messungen oder indirekte Bestimmung aus Messgrössen zumindest punktuell erfasst werden. Tabelle 2. Stationstypen-Übersicht Index-Stationen: Regionale Charakterisierung des Schneedeckenaufbaues und des Wetters sowie der Lawinengefahr. Standorte abhängig von Höhe- und Exposition der Anrisszonen. Datenerfassung und Übermittlung automatisch. Beobachter-Stationen: Datenerfassung und Eingabe durch Beobachter. Zusätzlich automatische Messungen wie bei Indexstationen, Datenübermittlung automatisch. Warnstationen: Überwachung der Stabilität in spezifischem/n Lawinen zug/en. Erfassung der relevanten Parameter zur Abschätzung der Lawinengefahr in der Schutzzone/Gefahrenzone. Datenerfassung und Übermittlung automatisch. Überwachungsstationen: Warnstation mit zusätzlicher Möglichkeit künstliche Lawinen auslösung fernzusteuern und deren Wirkung zu messen. (z.b. GAZ-EX). Datenerfassung und Übermittlung automatisch. Alarmstation: Erfassen eines Lawinenanrisses/Abganges sowie der Lawinengrösse. Automatische Alarmierung mit kleiner Vorwarnzeit. Fernüberwachung der Station. Die Genauigkeit der Voraussage steigt, je direkter Messgrössen die aktuelle Stabilität der Schneedecke und deren Entwicklung beschreiben. Jeder Modellierungsschritt, der zwischen der Messgrösse und der uns interessierenden Lawinengefahr zu einer bestimmten aktuellen oder zukünftigen Zeit steht, erhöht die Unsicherheit der Aussage. Für die lokale Alarmierung bei Feststellung einer bereits angebrochenen Lawi-
14 ne sind in den letzten Jahren im In- und Ausland verschiedene Messtechniken entwickelt und erprobt worden: mechanische Lawinendruckmessungen, seismische Messungen zur Registrierung der Bodenerschütterungen, verursacht durch abgehende Lawinen, Kraft- und Erschütterungsmessungen an über Lawinenrunsen gespannten Kabeln, Radarmessungen zur Bestimmung von Lawinengeschwindigkeiten und Fliesshöhen. In den meisten Fällen werden Lichtsignalanlagen und Sirenen zur Sperrung unmittelbar gefährdeter Strassenabschnitte automatisch in Betrieb gesetzt. Für die lokale Lawinenwarnung, die vor allem vor Grosslawinenabgängen aus vorgegebenen Anrisszonen, die Strassen, Gebäude, Anlagen, Skipisten usw. gefährden, warnen soll, ist es besonders wichtig, dass repräsentative Messwerte mit grosser Aussagekraft aus den gefährdeten Anrissgebieten vorliegen. Die aussagekräftigsten Parameter sind: Schneeakkumulationsrate und Windeinfluss, Teilentladungen in den Anrissgebieten, Setzung sowie Schichtung, vor allem in bezug auf schwache Zwischenschichten. Örtlich stark variierende (geländeabhängige) Grössen sollten innerhalb der möglichen Anrisszonen bestimmt werden. Der Bestimmung repräsentativer Standorte ist grösste Beachtung zu schenken. Zum Beispiel verursachen Lawinenabgänge eine starke Reduktion der Totalschneehöhe in den Anrissflächen und bewirken damit grundsätzlich verschiedene Voraussetzungen für die weitere Entwicklung der Schneedecke im Vergleich zu benachbarten Flächen ohne Lawinenabgänge. Anderseits ist eine Windmessung, die im Ablagerungsgebiet des verfrachteten Schnees installiert wird, zur Abschätzung der Schneeverfrachtung in ein oder aus einem Anrissgebiet wenig aussagekräftig. Eine solche Messung hat an der Stelle des voll entwickelten Schneeteilchenflusses, also an windexponierter Stelle leeseitig der Schneepartikelaufnahmefläche zu erfolgen. Zur Beurteilung des Schneedeckenaufbaus, insbesondere der Schwachschichtbildung, sind zusätzlich zu den Messungen in horizontalen Messfeldern repräsentative Messungen im Bereich typischer Anrisszonen unter Berücksichtigung der verschiedenen Expositionen und Höhenlagen notwendig. Die bereits oben aufgeführten Messungen müssen hier durch Schneeoberflächentemperaturmessungen, Strahlungsmessungen, Schneehöhenmessungen, Lufttemperatur- und Feuchtemessungen, Windmessung und eventuell durch bodennahe Schnee- sowie eine Bodentemperaturmessungen ergänzt werden. Diese Parameter erlauben die lokale Modellierung der Schneeumwandlung an der Schneeoberfläche. Die lokale aktuelle Lawinengefahr kann somit am sichersten mit folgenden Messsystemen bestimmt werden kann: Bodenerschütterungsmessungen (Seismik), Lawinenbewegungsmessungen (Dopplerradar), Messung von Schneeakumulation, Anrisshöhe, Schichtung, Setzung im Anrissgebiet (Profilradar), Messung von Lawinendrücken (Druckmessungen), Erkennen der Schwachschichtbildung (Modellierung der Umwandlungsprozesse an der Schneeoberfläche, Messung der Durchfeuchtung mit Profilradar), Überprüfung der Stabilität durch Schneefeldsprengungen (Ferngesteuerte Schneefeldsprengung mit intergrierter Überwachung der Wirkung). Alle diese Messmethoden sind heute erprobt und im operationellen Einsatz. Die verschiedenen Messmethoden könne je nach Stationstyp und Problemstellung in beinahe beliebigen Kombinationen eingesetzt werden. Die Stationen der Firma AlpuG sind für alle obigen Messungen vorbereitet und enthalten bereits ein Modellierungsmodul zur lokalen Bestimmung der aktuellen Schneeoberflächeneigenschaften (Reifbildung, Kornform,
Korngrösse, Schmelzen, Krustenbildung). 15 Gubler, AlpuG, 5.3.97